JPWO2020100349A1 - 半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両 - Google Patents
半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2020100349A1 JPWO2020100349A1 JP2020556594A JP2020556594A JPWO2020100349A1 JP WO2020100349 A1 JPWO2020100349 A1 JP WO2020100349A1 JP 2020556594 A JP2020556594 A JP 2020556594A JP 2020556594 A JP2020556594 A JP 2020556594A JP WO2020100349 A1 JPWO2020100349 A1 JP WO2020100349A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- semiconductor switch
- drive
- mode
- drive voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
- H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
- H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
- B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
- H02M1/0054—Transistor switching losses
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/38—Means for preventing simultaneous conduction of switches
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
- H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
- H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
- H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L2210/00—Converter types
- B60L2210/10—DC to DC converters
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
- Y02T90/14—Plug-in electric vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
半導体スイッチの駆動装置は、オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチを駆動する駆動装置であって、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える第１の駆動電圧切替回路と、第１の駆動電圧切替回路による半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングで半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える第２の駆動電圧切替回路とを含む。
Description
この開示は、半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両に関する。この出願は、２０１８年１１月１２日出願の日本出願第２０１８−２１２１５８号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、及びプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）にはモータ駆動用の高圧電池（例えば３００Ｖ）から低圧電池（例えば１２Ｖ）又は低圧負荷に電力を供給するための、絶縁型の電力変換装置である降圧ＤＣ／ＤＣコンバータが搭載される。従来、この種の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータにはシリコン（Ｓｉ）デバイス（Ｓｉ―ＭＯＳＦＥＴ）が半導体スイッチとして用いられて来た。しかし、近年は装置の高効率化及び小型化の目的でＧａＮ（窒化ガリウム）デバイスの搭載が検討されている。
ＧａＮデバイスでは電子の移動が高速であるため、効率よくスイッチングが行えるという利点がある。しかしその一方で、しきい値電圧が低いため誤点弧しやすく、さらに通常のトランジスタと異なり、ボディダイオードを持たずソースとドレインが対称であるため逆導通によって損失が生ずるという問題がある。
こうした問題を解決するための提案が後掲の特許文献１においてなされている。特許文献１に記載された技術は非絶縁チョッパ回路の駆動回路に関する。この回路は、電源とグランドとの間に直列に接続される２つのＧａＮデバイスを、デッドタイムを挟んで交互に一方をオン、他方をオフする回路である。この回路は、正電圧、ゼロ電圧、及び負電圧の３レベルを出力可能な３電圧出力回路を持つ。一方のＧａＮデバイス（第１のＧａＮデバイス）がオン、他方のＧａＮデバイス（第２のＧａＮデバイス）がオフの期間では、第２のＧａＮデバイスのゲートには負電圧が印加される。第１のＧａＮデバイスをオフさせてデッド期間に入ると、第１のＧａＮデバイスが逆導通する。そのため、この期間には第１のＧａＮデバイスのゲート電圧をゼロ電圧にして逆導通による損失の増加を抑制する。
第２のＧａＮデバイスのゲート電圧がしきい値を超えてオンすると、第１のＧａＮデバイスのゲートに負電圧を印加する。これにより第１のＧａＮデバイスのセルフターンオフが防止される。
その後、第２のＧａＮデバイスのターンオフが開始されると第１のＧａＮデバイスのドレイン−ソース間電圧が変化しセルフターンオンが発生してしまう。そのために、第１のＧａＮデバイスのゲートには負電圧を印加し続ける。しかし負電圧を印加し続けると、第１のＧａＮデバイスの逆導通による損失が増加してしまう。そこで、第２のＧａＮデバイスのゲート電圧がしきい値電圧を下回ったときに、第２のＧａＮデバイスのゲート電圧を正電圧に切替える。
こうした制御により、ＧａＮデバイスの誤動作を防止しながら、ＧａＮデバイスの逆導通による損失を小さくできる。
この開示の第１の局面に係る半導体スイッチの駆動装置は、オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチを駆動する駆動装置であって、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える第１の駆動電圧切替回路と、第１の駆動電圧切替回路による半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングで半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える第２の駆動電圧切替回路とを含む。
この開示の第２の局面に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチのスイッチングにより、入力された電力を変換した電力を出力する電力変換装置であって、変換を実現するよう接続された複数の半導体スイッチ素子、インダクタンス素子、変圧器及び容量素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の複数の半導体スイッチの少なくとも１つを駆動する、上記したいずれかの半導体スイッチの駆動装置とを含む。
この開示の第３の局面に係る半導体スイッチの駆動方法は、オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチの駆動方法であって、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替えるステップと、第１の調整電圧への半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングで半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替えるステップとを含む。
［本発明の実施形態の説明］
［開示が解決しようとする課題］
上記した特許文献１に記載された技術は非絶縁型の電力変換回路に関するものである。絶縁型の電力変換回路、特にフルブリッジ回路を用いた電力変換回路では、ＧａＮデバイスに対する寄生容量と駆動電流及び誘導電流を考慮に入れる必要があり、特許文献１に開示された技術をそのまま適用することは難しいという問題があった。最近では車両等に電力変換回路が利用されることが多く、こうした問題を解決することが望まれている。
［開示が解決しようとする課題］
上記した特許文献１に記載された技術は非絶縁型の電力変換回路に関するものである。絶縁型の電力変換回路、特にフルブリッジ回路を用いた電力変換回路では、ＧａＮデバイスに対する寄生容量と駆動電流及び誘導電流を考慮に入れる必要があり、特許文献１に開示された技術をそのまま適用することは難しいという問題があった。最近では車両等に電力変換回路が利用されることが多く、こうした問題を解決することが望まれている。
それゆえにこの開示は、絶縁型の電力変換回路を効率よく動作させることが可能な半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置及び車両を提供することを目的とする。
以下の説明及び図面では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組合せても良い。
以下にこの開示の好適な実施態様を列記する。
（１）この開示の第１の局面に係る半導体スイッチの駆動装置は、オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチを駆動する駆動装置であって、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える第１の駆動電圧切替回路と、第１の駆動電圧切替回路による半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングで半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える第２の駆動電圧切替回路とを含む。
半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングでは半導体スイッチが逆導通する。この逆導通の期間に第１の駆動電圧切替回路により半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える。その後、第２の駆動電圧切替回路により半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える。逆導通時の２端子間の電位差が小さくなるため逆導通に伴う損失を低減できる。
（２）好ましくは、オフ電圧は負の電圧、及びオン電圧は正の電圧であり、第１の調整電圧はオフ電圧より高く、しきい値電圧以下である。
半導体スイッチのしきい値が低い場合、オフさせるために駆動電圧を負の電圧とする必要がある。駆動電圧がオフのままで半導体スイッチが逆導通すると損失が大きくなる。そこでこのときの駆動電圧を負電圧より高く、しきい値電圧より低い第１の調整電圧に切替えることで逆導通時の損失を低減できる。
（３）より好ましくは、第１の調整電圧はゼロ電圧である。第１の調整電圧をゼロ電圧とすることで、半導体スイッチの逆導通時の損失を容易に低減できる。
（４）さらに好ましくは、半導体スイッチは、位相シフトフルブリッジ回路を構成する半導体スイッチである。位相シフトフルブリッジ回路では４つの半導体スイッチの駆動電圧の位相をずらしながら切替える必要がある。これら半導体スイッチのいずれかにおいて上記したように駆動電圧を切替えることで、位相シフトフルブリッジ回路における半導体スイッチの逆導通に伴う損失を低減できる。
（５）好ましくは、位相シフトフルブリッジ回路は４個の半導体スイッチを含み、半導体スイッチの駆動装置は、４個の半導体スイッチの各々を駆動する。
半導体スイッチの全てにおいて上記したように駆動電圧を切替えることで、位相シフトフルブリッジ回路における半導体スイッチの逆導通に伴う損失を効率的に低減できる。
（６）より好ましくは、所定時刻後で半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの前に、半導体スイッチの駆動電圧を第１の調整電圧より高く、オン電圧より低い第２の調整電圧に切替える第３の駆動電圧切替回路をさらに含む。
半導体スイッチの逆導通時、その駆動電圧を複数の段階で階段状の調整電圧に変化させることによっても逆導通時の損失を低減できる。
（７）さらに好ましくは、半導体スイッチは窒化ガリウム（ＧａＮ）スイッチである。
ＧａＮスイッチではオフ時の駆動電圧が負電圧、オン時の駆動電圧が正電圧であって、しかもしきい値電圧が小さいため、上記した逆導通が生じやすく、調整電圧を用いることにより逆導通時の損失を効率的に低減できる。
（８）この開示の第２の局面に係る半導体スイッチの駆動装置は、オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチを駆動する駆動装置であって、半導体スイッチをオフにしてから所定時間経過した後、次に当該半導体スイッチをオンに駆動するタイミングまで、半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える第１の駆動電圧切替回路と、第１の駆動電圧切替回路による半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、半導体スイッチをオンに駆動するタイミングで半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える第２の駆動電圧切替回路とを含む。
半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングでは半導体スイッチが逆導通する。半導体スイッチをオフとしてから所定時間後からオンに駆動するタイミングまでの期間に、第１の駆動電圧切替回路が半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える。その後、第２の駆動電圧切替回路が半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える。逆導通時の２端子間の電位差が小さくなるため逆導通に伴う損失を低減できる。
（９）この開示の第３の局面に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチのスイッチングにより、入力された電力を変換した電力を出力する電力変換装置であって、変換を実現するよう接続された複数の半導体スイッチ素子、インダクタンス素子、変圧器及び容量素子からなる電力変換回路と、電力変換回路の複数の半導体スイッチの少なくとも１つを駆動する、上記したいずれかの半導体スイッチの駆動装置とを含む。
半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングでは半導体スイッチが逆導通する。この逆導通の期間に第１の駆動電圧切替回路により半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える。その後、第２の駆動電圧切替回路により半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える。逆導通時の２端子間の電位差が小さくなるため逆導通に伴う損失を低減できる。
（１０）この開示の第４の局面に係る半導体スイッチの駆動方法は、オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチの駆動方法であって、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替えるステップと、第１の調整電圧への半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングで半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替えるステップとを含む。
半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングでは半導体スイッチが逆導通する。この逆導通の期間に第１の駆動電圧切替回路により半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える。その後、第２の駆動電圧切替回路により半導体スイッチの駆動電圧をオン電圧に切替える。逆導通時の２端子間の電位差が小さくなるため逆導通に伴う損失を低減できる。
（１１）この開示の第５の局面に係る車両は、車体と、この車体に設けられ、第１の電圧で電力を蓄積し、出力する電池と、車体に設けられ、第１の電圧より低い第２の電圧で動作する低電圧動作部と、電池の出力を入力として受け、第２の電圧に変換して低電圧動作部に供給するように車体に設けられた、上記した第３の局面に係る電力変換装置とを含む。
第３の局面に係る電力変換装置が電池の出力を第１の電圧から第２の電圧に降圧して定電圧動作部に供給する。電力変換装置で発生する電力損失が低減されるため、この車両では、電池に蓄積された電力を効率よく使用して低電圧動作部を動作させられる。
［開示の効果］
以上のようにこの開示によれば、絶縁型の電力変換回路を効率よく動作させることが可能な半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両を提供できる。
［本開示の実施形態の詳細］
この開示の実施形態に係る半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、この開示はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
以上のようにこの開示によれば、絶縁型の電力変換回路を効率よく動作させることが可能な半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両を提供できる。
［本開示の実施形態の詳細］
この開示の実施形態に係る半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、この開示はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
＜第１の実施形態＞
［構成］
図１は、この開示の第１の実施形態に係る位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の回路図である。図１を参照して、この位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、変圧器ＴＲと、この変圧器ＴＲを中心とする一次側部分６０及び二次側部分６２と、一次側部分６０を構成する４つのＧａＮデバイス（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）を駆動制御する制御回路６４と、制御回路６４により制御され、上記４つのＧａＮ−ＨＥＭＴのゲート電圧を制御するための、各々負電圧、正電圧及びゼロ電圧の３電圧を切替えて出力可能なパルス変圧器からなる３電圧出力回路８０、８２、８４及び８６を含む。
［構成］
図１は、この開示の第１の実施形態に係る位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の回路図である。図１を参照して、この位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、変圧器ＴＲと、この変圧器ＴＲを中心とする一次側部分６０及び二次側部分６２と、一次側部分６０を構成する４つのＧａＮデバイス（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）を駆動制御する制御回路６４と、制御回路６４により制御され、上記４つのＧａＮ−ＨＥＭＴのゲート電圧を制御するための、各々負電圧、正電圧及びゼロ電圧の３電圧を切替えて出力可能なパルス変圧器からなる３電圧出力回路８０、８２、８４及び８６を含む。
なお、ここでのゼロ電圧とは、基準となる電位を与える電圧のことをいう。負電圧とは、ゼロ電圧に対する電位差が負となる電圧のことをいう。正電圧とは、負電圧とは逆にゼロ電圧に対する電位差が正となる電圧のことをいう。電圧の単位としてはＶ（ボルト）を使用し、一般的にはゼロ電圧を０Ｖ等と表示する。
ＧａＮ―ＨＥＭＴはしきい値電圧が低く、オフ電圧が負電圧となるのでこの開示に好適である。ただし、ＧａＮ−ＨＥＭＴはボディダイオードを持たずソースとドレインが対称であるため、逆導通によって損失が生ずるという問題があることは前述したとおりである。以下の実施形態では、ＧａＮ−ＨＥＭＴを駆動する信号の電圧の切替を工夫することによりこの問題を解決している。
一次側部分６０は、高電圧の直流電圧（例えば４８〜３００Ｖ）が印加される２つの入力端子７２及び７４と、入力端子７２及び７４の間に接続されたコンデンサＣ０と、コンデンサＣ０と並列に、入力端子７２と入力端子７４との間に直列に接続されたＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ１及びＺ３と、同様に入力端子７２と入力端子７４との間に、コンデンサＣ０及びＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ１及びＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ３と並列に接続されたＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ２及びＺ４とを含む。ＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ１及びＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ２のソースは入力端子７２に接続されている。ＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ３及びＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ４のドレインは入力端子７４に接続されている。ＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ１のドレインとＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ３のソースとは互いに接続されている。同様にＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ２のドレインとＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ４のソースとは互いに接続されている。なお、以下の説明では、記載を簡潔にするために、ＧａＮ−ＨＥＭＴ Ｚ１を単にＺ１と書く。Ｚ２、Ｚ３及びＺ４についても同様である。
Ｚ１及びＺ３の接点は変圧器ＴＲの一次側巻線の一方端子に接続され、変圧器ＴＲの一次側巻線の他方端子はＺ２及びＺ４の接点に接続されている。この変圧器ＴＲの一次側漏れインダクタンスＬ１が図１に示すように一次側巻線とＺ１及びＺ３の接点との間に直列に接続されていると考える。
また、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４のソース−ドレイン間にはそれぞれ寄生容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が存在している。記載を簡潔にするために、寄生容量Ｃ１を単にＣ１と各。Ｃ２、Ｃ３及びＣ４、前述のコンデンサＣ０、並びに後述の電解コンデンサＣ５についても同様である。
二次側部分６２は、出力端子７６及び７８に変圧器ＴＲの二次側巻線から降圧された直流電圧（例えば１２Ｖ）を取り出すように接続された４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４と、出力端子７６及び７８の間に接続された電解コンデンサＣ５とを含む。変圧器ＴＲの二次側巻線の漏れインダクタンスＬ２はダイオードＤ１及びＤ３のカソードと出力端子７６との間に直列に接続されているものと考える。
位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０はさらに、制御回路６４がＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧の切替えのタイミングを決定するために利用する、入力端子７２と７４との間の電圧センサ６６、出力端子７６と７８との電圧センサ７０、及び一次側巻線を流れる電流を測定する電流センサ６８を含む。
＜従来の駆動方法＞
図２は、図１に示す一次側部分６０及び二次側部分６２を有する従来の位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータにおけるＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧の変化を動作モードとともに示す図である。図２を参照して、従来の位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータの動作モードにはモード１〜８が存在する。
図２は、図１に示す一次側部分６０及び二次側部分６２を有する従来の位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータにおけるＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧の変化を動作モードとともに示す図である。図２を参照して、従来の位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータの動作モードにはモード１〜８が存在する。
モード１では駆動電圧波形１００及び１３０で示されるようにＺ１及びＺ４の駆動電圧がしきい値以上の正電圧となってＺ１及びＺ４がオンする。一方、駆動電圧波形１１０及び１２０で示されるようにＺ２及びＺ３の駆動電圧は負電圧であり、これらはオフしている。モード１の最後にＺ４の駆動電圧が駆動電圧波形１３２により示されるように負電圧に切替えられ、Ｚ４がオフする。
モード２ではＺ１の駆動電圧は正電圧のままでありＺ１はオンしている。Ｚ４の駆動電圧は負電圧となり、Ｚ４がオフしている。Ｚ２及びＺ３はオフのままである。モード２の最後にＺ２の駆動電圧が駆動電圧波形１１０により示されるように正電圧に切替えられＺ２がオンする。
モード３では駆動電圧波形１００及び１１２により示されるようにＺ１及びＺ２の駆動電圧が正電圧であり、これらはともにオンである。Ｚ３及びＺ４はオフのままである。モード３の最後にＺ１の駆動電圧が駆動電圧波形１０２により示されるように負電圧となり、Ｚ１はオフする。
モード４ではＺ１、Ｚ３及びＺ４がオフ、Ｚ２のみがオンである。すなわち、駆動電圧波形１０２、１２０及び１３２により示されるように、Ｚ１、Ｚ３及びＺ４のゲート電圧は負電圧となっており、駆動電圧波形１１２により示されるようにＺ２のゲート電圧が正電圧となっている。モード４の最後に駆動電圧波形１２２により示されるようにＺ３の駆動電圧が正電圧に切替えられ、Ｚ３がオンする。
モード５では、Ｚ１及びＺ４はオフ、Ｚ２及びＺ３がオンである。モード５の最後に駆動電圧波形１１４により示されるようにＺ２の駆動電圧が負電圧に切替えられＺ２がオフする。
モード６ではＺ１、Ｚ２及びＺ４がオフしており、Ｚ３のみがオンしている。モード６の最後に駆動電圧波形１３４により示されるように、Ｚ４の駆動電圧が正電圧に切替えられ、Ｚ４がオンする。
モード７ではＺ１及びＺ２がオフであり、Ｚ３及びＺ４がオンである。モード７の最後に駆動電圧波形１２４により示されるようにＺ３の駆動電圧が負電圧に切替えられ、Ｚ３がオフする。
モード８ではＺ１、Ｚ２及びＺ３がオフであり、Ｚ４のみがオンである。モード８の最後に駆動電圧波形１０４により示されるようにＺ１の駆動電圧が正電圧に切替えられ、Ｚ１がオンする。この結果、モード８の次はＺ１及びＺ４がオン、Ｚ２及びＺ３がオフというモード１の状態に戻る。
＜この実施形態の駆動方法＞
図３にこの実施形態により図１に示す位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０を駆動する際のＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧を示す。
図３にこの実施形態により図１に示す位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０を駆動する際のＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧を示す。
《モード１》
モード１におけるＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧は従来技術と同じである。すなわち、駆動電圧波形１００及び１３０により示されるように、Ｚ１及びＺ４のゲート電圧は正電圧であり、Ｚ１及びＺ４がオンしている。一方、駆動電圧波形１６０及び１７０により示されるように、Ｚ２及びＺ３の駆動電圧は負電圧であり、Ｚ２及びＺ３はオフしている。
モード１におけるＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧は従来技術と同じである。すなわち、駆動電圧波形１００及び１３０により示されるように、Ｚ１及びＺ４のゲート電圧は正電圧であり、Ｚ１及びＺ４がオンしている。一方、駆動電圧波形１６０及び１７０により示されるように、Ｚ２及びＺ３の駆動電圧は負電圧であり、Ｚ２及びＺ３はオフしている。
このときの電流の流れを図４に示す。図４を参照して、モード１では、電流は入力端子７２→Ｚ１→Ｌ１→ＴＲの一次側巻線→Ｚ４→入力端子７４という経路を流れる。変圧器ＴＲの一次側巻線には電流が流れている。このとき、Ｃ２が充電されている。モード１の終わりにＺ４がオフする。
《モード２》
図３に戻り、モード２の最初には、Ｚ１はオンのままであるが、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４はオフしている。このときの電流経路を図５に示す。
図３に戻り、モード２の最初には、Ｚ１はオンのままであるが、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４はオフしている。このときの電流経路を図５に示す。
図５を参照して、変圧器ＴＲの一次側巻線を流れる電流を維持するために、Ｃ２が放電し、Ｃ４が充電される。この結果、電流は入力端子７２、Ｚ１、Ｌ１、変圧器ＴＲの一次側巻線を経てＺ４のソースに至り、Ｃ４を充電し、入力端子７４に至る。Ｃ２の放電が完了すると動作モードはモード２´となる。
《モード２´》
図６を参照して、Ｃ２の放電後、モード２´においてＺ２が逆導通し、電流はＺ１→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２という経路を流れる。このとき、図３の駆動電圧波形１６２により示されるように、Ｚ２の駆動電圧が負電圧から一旦ゼロ電圧となった後、モード２の終わりで駆動電圧波形１１２により示されるように正電圧となる。この結果、Ｚ２が逆導通している間のＺ２のソース−ドレイン間の電位差はＺ２に負の駆動電圧を印加しているときと比較して小さくなり、逆導通による損失が低減される。
図６を参照して、Ｃ２の放電後、モード２´においてＺ２が逆導通し、電流はＺ１→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２という経路を流れる。このとき、図３の駆動電圧波形１６２により示されるように、Ｚ２の駆動電圧が負電圧から一旦ゼロ電圧となった後、モード２の終わりで駆動電圧波形１１２により示されるように正電圧となる。この結果、Ｚ２が逆導通している間のＺ２のソース−ドレイン間の電位差はＺ２に負の駆動電圧を印加しているときと比較して小さくなり、逆導通による損失が低減される。
《モード３》
モード３では、Ｚ１及びＺ２はオン、Ｚ３及びＺ４はオフとなる。これは従来技術の場合と同様である。モード３における電流経路を図７に示す。図７を参照して、このときの電流はＺ１→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→Ｚ１となる。モード３の終わりに駆動電圧波形１００により示されるようにＺ１の駆動電圧が負電圧に切替えられ、Ｚ１がオフする。
モード３では、Ｚ１及びＺ２はオン、Ｚ３及びＺ４はオフとなる。これは従来技術の場合と同様である。モード３における電流経路を図７に示す。図７を参照して、このときの電流はＺ１→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→Ｚ１となる。モード３の終わりに駆動電圧波形１００により示されるようにＺ１の駆動電圧が負電圧に切替えられ、Ｚ１がオフする。
《モード４》
モード４の最初は、Ｚ１はオフ、Ｚ２はオン、Ｚ３及びＺ４はオフである。このときの電流経路を図８に示す。図８を参照して、一次側巻線に流れる電流を維持するため、Ｃ３から放電され、Ｃ１が充電されることによりＺ１のドレイン→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の経路で電流が流れる。Ｃ３を放電後、Ｚ３が逆導通しＺ３に電流が流れる。このとき、駆動電圧波形１７２により示すように、Ｚ３の駆動電圧を負電圧からゼロ電圧に変える。これにより動作モードはモード４´となる。
モード４の最初は、Ｚ１はオフ、Ｚ２はオン、Ｚ３及びＺ４はオフである。このときの電流経路を図８に示す。図８を参照して、一次側巻線に流れる電流を維持するため、Ｃ３から放電され、Ｃ１が充電されることによりＺ１のドレイン→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の経路で電流が流れる。Ｃ３を放電後、Ｚ３が逆導通しＺ３に電流が流れる。このとき、駆動電圧波形１７２により示すように、Ｚ３の駆動電圧を負電圧からゼロ電圧に変える。これにより動作モードはモード４´となる。
《モード４´》
モード４´ではＺ３の駆動電圧がゼロ電圧となる。ソース−ドレイン間電圧の絶対値が小さくなるため、Ｚ３の逆導通による損失を低減できる。図９にモード４´における電流経路を示す。Ｚ３に電流が流れているため、電流は入力端子７４→Ｚ３→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の方向に流れる。モード４´の終わりに、図３において駆動電圧波形１２２により示すようにＺ３の駆動電圧が正電圧となる。
モード４´ではＺ３の駆動電圧がゼロ電圧となる。ソース−ドレイン間電圧の絶対値が小さくなるため、Ｚ３の逆導通による損失を低減できる。図９にモード４´における電流経路を示す。Ｚ３に電流が流れているため、電流は入力端子７４→Ｚ３→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の方向に流れる。モード４´の終わりに、図３において駆動電圧波形１２２により示すようにＺ３の駆動電圧が正電圧となる。
《モード５》
続くモード５では、Ｚ１及びＺ４がオフ、Ｚ２及びＺ３がオンとなる。これは従来技術におけるモード５と同様である。図１０にモード５における電流経路を示す。図１０を参照して、モード５では、電流は入力端子７４→Ｚ３→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の経路に流れる。この場合、変圧器ＴＲの一次側巻線には、電流の方向とは逆の電圧がかかっている。そのため、図１０に示す電流は速やかに小さくなり、図１１に示すように同じ経路で電流の向きが逆転する。これをモード５´とする。モード５（モード５´）の終わりには、図３の駆動電圧波形１１４により示すようにＺ２の駆動電圧が負電圧となり、Ｚ２がオフする。
続くモード５では、Ｚ１及びＺ４がオフ、Ｚ２及びＺ３がオンとなる。これは従来技術におけるモード５と同様である。図１０にモード５における電流経路を示す。図１０を参照して、モード５では、電流は入力端子７４→Ｚ３→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の経路に流れる。この場合、変圧器ＴＲの一次側巻線には、電流の方向とは逆の電圧がかかっている。そのため、図１０に示す電流は速やかに小さくなり、図１１に示すように同じ経路で電流の向きが逆転する。これをモード５´とする。モード５（モード５´）の終わりには、図３の駆動電圧波形１１４により示すようにＺ２の駆動電圧が負電圧となり、Ｚ２がオフする。
《モード６》
図１２を参照して、モード６では、図３の駆動電圧波形１５０、１１４、１２２及び１８０からわかるように、Ｚ１、Ｚ２及びＺ４がオフ、Ｚ３がオンしている。変圧器ＴＲの一次側巻線を流れる電流を維持するため、電流は入力端子７２→Ｃ２→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３→入力端子７４の経路を通り、Ｃ２を充電し、Ｃ４を放電させる。Ｃ４の放電が完了した時点でＺ４が逆導通する。このとき、図３の駆動電圧波形１８２により示されるように、Ｚ４のゲート電圧をゼロ電圧に切替える。これにより動作モードは動作モード６´となる。
図１２を参照して、モード６では、図３の駆動電圧波形１５０、１１４、１２２及び１８０からわかるように、Ｚ１、Ｚ２及びＺ４がオフ、Ｚ３がオンしている。変圧器ＴＲの一次側巻線を流れる電流を維持するため、電流は入力端子７２→Ｃ２→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３→入力端子７４の経路を通り、Ｃ２を充電し、Ｃ４を放電させる。Ｃ４の放電が完了した時点でＺ４が逆導通する。このとき、図３の駆動電圧波形１８２により示されるように、Ｚ４のゲート電圧をゼロ電圧に切替える。これにより動作モードは動作モード６´となる。
《モード６´》
図１３を参照して、モード６´では、Ｚ１及びＺ２がオフし、Ｚ３がオンし、Ｚ４が逆導通している。電流はＺ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３の経路を流れる。このモード６´ではＺ４のゲート電圧はゼロ電圧となっている。そのため、Ｚ４の逆導通による損失を低減できる。モード６´（モード６）の最後に、図３の駆動電圧波形１３４により示されるようにＺ４のゲート電圧が正電圧となり、Ｚ４がオンし、動作モードはモード７となる。
図１３を参照して、モード６´では、Ｚ１及びＺ２がオフし、Ｚ３がオンし、Ｚ４が逆導通している。電流はＺ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３の経路を流れる。このモード６´ではＺ４のゲート電圧はゼロ電圧となっている。そのため、Ｚ４の逆導通による損失を低減できる。モード６´（モード６）の最後に、図３の駆動電圧波形１３４により示されるようにＺ４のゲート電圧が正電圧となり、Ｚ４がオンし、動作モードはモード７となる。
《モード７》
図３を参照して、モード７では駆動電圧波形１５０、１１４、１２２及び１３４により示されるように、Ｚ１及びＺ２のゲート電圧は負電圧、Ｚ３及びＺ４のゲート電圧は正電圧である。したがってＺ１及びＺ２はオフ、Ｚ３及びＺ４はオンである。
図３を参照して、モード７では駆動電圧波形１５０、１１４、１２２及び１３４により示されるように、Ｚ１及びＺ２のゲート電圧は負電圧、Ｚ３及びＺ４のゲート電圧は正電圧である。したがってＺ１及びＺ２はオフ、Ｚ３及びＺ４はオンである。
このときの電流経路を図１４に示す。図１４を参照して、モード７では、電流はＺ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３の経路を流れる。モード７の終わりにＺ３がオフしモード８となる。
《モード８》
モード８の最初では、図３の駆動電圧波形１５０、１１４、１２４及び１３４により示されるように、Ｚ１、Ｚ２及びＺ３のゲート電圧は負電圧、Ｚ４のゲート電圧は正電圧である。したがってＺ１、Ｚ２及びＺ３はオフし、Ｚ４のみがオンしている。図１５に示すように、電流は入力端子７４、Ｚ４、変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１という経路を流れ、Ｃ３を充電し、Ｃ１を放電する。Ｃ１が放電した後、Ｚ１が逆導通し、モード８´となる。
モード８の最初では、図３の駆動電圧波形１５０、１１４、１２４及び１３４により示されるように、Ｚ１、Ｚ２及びＺ３のゲート電圧は負電圧、Ｚ４のゲート電圧は正電圧である。したがってＺ１、Ｚ２及びＺ３はオフし、Ｚ４のみがオンしている。図１５に示すように、電流は入力端子７４、Ｚ４、変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１という経路を流れ、Ｃ３を充電し、Ｃ１を放電する。Ｃ１が放電した後、Ｚ１が逆導通し、モード８´となる。
《モード８´》
モード８´では、図３の駆動電圧波形１５２により示されるように、Ｚ１のゲート電圧を調整しゼロ電圧とする。これによりＺ１の逆導通による損失を低減できる。モード８´（モード８）の終わりには図３の駆動電圧波形１０４により示されるようにＺ１のゲート電圧が正電圧となりＺ１が導通する。このときの電流経路を図１６に示す。
モード８´では、図３の駆動電圧波形１５２により示されるように、Ｚ１のゲート電圧を調整しゼロ電圧とする。これによりＺ１の逆導通による損失を低減できる。モード８´（モード８）の終わりには図３の駆動電圧波形１０４により示されるようにＺ１のゲート電圧が正電圧となりＺ１が導通する。このときの電流経路を図１６に示す。
図１６を参照して、電流は入力端子７４→Ｚ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ１→入力端子７２という経路を経て流れる。このとき、変圧器ＴＲの一次側巻線には、電流の向きと逆向きに電圧がかかっている。そのためこの電流は急速に小さくなる。やがて電流の向きは図４に示すようになり、動作モードはモード１に復帰する
以下、上記したモード１〜モード８の動作を繰返す。
以下、上記したモード１〜モード８の動作を繰返す。
図１７に、上記した位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作を制御するために制御回路６４が実行するプログラムの制御構造をフローチャート形式で示す。このプログラムは、図１に示す電圧センサ６６、電流センサ６８及び電圧センサ７０の出力を受け、入力端子７２及び７４間に直流電圧を受けて、出力端子７６及び７８間に安定した直流電圧を出力するよう、Ｚ１〜Ｚ４のオン・オフの位相シフト量を調整する。
図１７を参照して、このプログラムは、電圧センサ７０の出力により直流出力電圧を測定するステップ２００と、電圧センサ６６の出力により直流入力電圧を測定するステップ２０２と、電流センサ６８の出力により一次側巻線を流れる電流を測定するステップ２０４とを含む。
このプログラムはさらに、ステップ２００、２０２、及び２０４における測定結果に基づいて、指定された直流電圧を出力するよう位相シフト量を算出し、その位相シフト量に基づいてＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４のモード１〜モード８におけるオン、オフのタイミングを決定するステップ２０６と、ステップ２０６により決定されたオン、オフのタイミングをもとに、モード２´、４´、６´及び８´における駆動電圧波形１５２、１６２、１７２、及び１８２に示されるようにＺ１〜Ｚ４のゲート電圧をゼロ電圧に切替えるタイミングを決定するステップ２０８と、ステップ２０６及び２０８で決定されたタイミングを制御回路６４内の図示しない記憶装置に記憶するステップ２１０と、ステップ２０６及び２０８で決定されたタイミングに基づいて図１に示す３電圧出力回路８０、８２、８４及び８６を制御してステップ２００に制御を戻すステップ２１２とを含む。
［動作］
上記した構成を持つ位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０は以下のように動作する。図１７を参照して、位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の制御回路６４は、位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作中、図１７に制御構造を示すプログラムを繰返し実行する。
上記した構成を持つ位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０は以下のように動作する。図１７を参照して、位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の制御回路６４は、位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作中、図１７に制御構造を示すプログラムを繰返し実行する。
すなわち、ステップ２００で、電圧センサ７０の出力により直流出力電圧を測定し、ステップ２０２で電圧センサ６６の出力により直流入力電圧を測定し、ステップ２０４で電流センサ６８の出力により一次側巻線を流れる電流を測定する。制御回路６４はさらに、ステップ２００、２０２、及び２０４における測定結果に基づいて、ステップ２０６において、指定された直流電圧を出力するよう位相シフト量を算出し、その位相シフト量に基づいてＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４のモード１〜モード８におけるオン、オフのタイミングを決定する。ステップ２０６により決定されたオン、オフのタイミングをもとに、ステップ２０８において、モード２´、４´、６´及び８´における駆動電圧波形１５２、１６２、１７２、及び１８２に示されるようにＺ１〜Ｚ４のゲート電圧をゼロ電圧に切替えるタイミングを決定する。続くステップ２１０において、ステップ２０６及び２０８で決定されたタイミングを記憶装置に記憶する。そしてステップ２１２において、ステップ２０６及び２０８で決定されたタイミングに基づいて図１に示す３電圧出力回路８０、８２、８４及び８６を制御してＺ１〜Ｚ４の電源電圧を所定のタイミングで制御する。Ｚ１〜Ｚ４の制御が完了したらステップ２００に制御を戻し、次のサイクルの処理を行う。
この結果、既に図３を参照して説明したとおり、モード２の後半（モード２´）にＺ２がオフからオンになるタイミングで、オンになる直前にＺ２のゲート電圧が駆動電圧波形１６２により示されるように一旦ゼロ電圧に切替えられ、所定時間経過後に正電圧に切替えられる。その結果、この期間でのＺ２の逆導通による損失が低減される。同様に、モード４の後半（モード４´）にＺ３がオフからオンになる直前のタイミングで、駆動電圧波形１７２により示されるようにＺ３のゲート電圧が一旦ゼロ電圧に切替えられ、その後に正電圧に切替えられる。その結果、この期間でのＺ３の逆導通による損失が低減される。Ｚ４の場合も、モード６の後半（モード６´）のオフからオンになる直前のタイミングで駆動電圧波形１８２により示されるようにゲート電圧が一旦ゼロ電圧に切替えられ、その後正電圧に切替えられる。その結果、この期間におけるＺ４の逆導通による損失が低減される。さらに、Ｚ１についても、モード８の後半（モード８´）の、オフからオンになる直前のタイミングで駆動電圧波形１５２により示されるように、ゲート電圧が一旦ゼロ電圧に切替えられ、所定時間経過後に正電圧に切替えられる。その結果、この期間におけるＺ１の逆導通による損失が軽減される。
以上のようにこの実施形態によれば、絶縁型の位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、電流の経路を考慮し、ＧａＮデバイスのゲート電圧が負電圧から正電圧に変化するタイミングの直前にＧａＮデバイスが逆導通する際に、一旦ゲート電圧を負電圧からゼロ電圧に切替える。このようにゲート電圧を調整することで逆導通による損失を低減し、その後にゲート電圧を正電圧に切替える。したがって、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、逆導通による損失を低減させることができる。
＜第２の実施形態＞
ＧａＮデバイスのゲート電圧をゼロ電圧に切替えるタイミングは、位相シフトのタイミングから逆算すればよく、通常の位相シフト制御を行う場合にＧａＮデバイスのゲート電圧が負電圧から正電圧に切替える直前の動作モード内であればどのようなタイミングでもよい。ただし、一定以上の効果を得るためには、その動作モードで少なくともある一定の期間だけはゼロ電圧がＧａＮデバイスのゲートに継続して印加されるようにすることが望ましい。例えば少なくともその動作モードの後半２／３より前にはゲート電圧をゼロ電圧とすることが望ましい。さらに好ましくは、ゲート電圧は動作モードの１／２より前、さらに好ましくは最初から１／３より前にゼロ電圧に切替え、動作モードの終了まで維持することが望ましい。
ＧａＮデバイスのゲート電圧をゼロ電圧に切替えるタイミングは、位相シフトのタイミングから逆算すればよく、通常の位相シフト制御を行う場合にＧａＮデバイスのゲート電圧が負電圧から正電圧に切替える直前の動作モード内であればどのようなタイミングでもよい。ただし、一定以上の効果を得るためには、その動作モードで少なくともある一定の期間だけはゼロ電圧がＧａＮデバイスのゲートに継続して印加されるようにすることが望ましい。例えば少なくともその動作モードの後半２／３より前にはゲート電圧をゼロ電圧とすることが望ましい。さらに好ましくは、ゲート電圧は動作モードの１／２より前、さらに好ましくは最初から１／３より前にゼロ電圧に切替え、動作モードの終了まで維持することが望ましい。
すなわち、ここでいう「直前」とは、ＧａＮデバイスのゲート電圧を負電圧にしてＧａＮデバイスをオフしてから所定時間経過した後、次にＧａＮデバイスのゲート電圧を正電圧にしてＧａＮデバイスをオンするタイミングまでの期間をいう。この間、ＧａＮデバイスのゲート電圧を負電圧と正電圧との間の調整電圧（ゼロ電圧）に維持する。その後、ＧａＮデバイスをオンに駆動するタイミングでＧａＮデバイスの駆動電圧をオン電圧に切替える。以下に説明する第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して駆動電圧を調整電圧に維持する期間が長いことを特徴とする。
図１８にこの第２の実施形態により図１に示す位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０を駆動する際のＺ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧を示す。
《モード１》
図１８を参照して、モード１の開始時には、駆動電圧波形１００により示されるように、Ｚ１がオフからオンに切替わる。このとき、Ｚ１と対になる（Ｚ１と直列に接続された）デバイスであるＺ３には駆動電圧波形１７０により示されるように負電圧が印加されている。そのため、Ｚ３のドレイン−ソース間電圧の変化に伴うＺ３のセルフターンオンが防止できる。以下に説明するように、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４がオフからオンに切替わるときにも、それぞれと対になるデバイスであるＺ４、Ｚ１及びＺ２には負電圧が印加されており、それらのセルフターンオンが防止できる。
図１８を参照して、モード１の開始時には、駆動電圧波形１００により示されるように、Ｚ１がオフからオンに切替わる。このとき、Ｚ１と対になる（Ｚ１と直列に接続された）デバイスであるＺ３には駆動電圧波形１７０により示されるように負電圧が印加されている。そのため、Ｚ３のドレイン−ソース間電圧の変化に伴うＺ３のセルフターンオンが防止できる。以下に説明するように、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４がオフからオンに切替わるときにも、それぞれと対になるデバイスであるＺ４、Ｚ１及びＺ２には負電圧が印加されており、それらのセルフターンオンが防止できる。
この後、モード１においては、駆動電圧波形１００及び１３０により示されるように、Ｚ１及びＺ４のゲート電圧は正電圧であり、Ｚ１及びＺ４がオンしている。一方、駆動電圧波形１６０及び１６２により示されるように、Ｚ２の駆動電圧は直前のモード（後述するモード８）の最初に負電圧からゼロ電圧に変化しており、モード１の間、ゼロ電圧に維持される。また駆動電圧波形１７０及び１７２により示されるように、Ｚ３の駆動電圧はモード１の最初には負電圧であり、モード１に入った後にゼロ電圧に変化する。したがってＺ３はオフしている。この実施形態では、駆動電圧波形１７０により示されるように、第１の実施形態と比較して、Ｚ３がオフしてから比較的短時間でＺ３の駆動電圧がゼロ電圧となる。モード１の終わりにはＺ４の駆動電圧が負電圧に切替えられ、Ｚ４がオフしモード２となる。
《モード２》
モード２の最初には、Ｚ１はオンのままであるが、Ｚ４はオフしている。Ｚ２及びＺ３の駆動電圧はゼロ電圧に維持されている。このときの電流経路は図５に示すものと同様である。モード２ではＣ２が放電し、Ｃ４が充電される。Ｃ２の放電が完了すると動作モードはモード２´となる。
モード２の最初には、Ｚ１はオンのままであるが、Ｚ４はオフしている。Ｚ２及びＺ３の駆動電圧はゼロ電圧に維持されている。このときの電流経路は図５に示すものと同様である。モード２ではＣ２が放電し、Ｃ４が充電される。Ｃ２の放電が完了すると動作モードはモード２´となる。
《モード２´》
Ｃ２の放電後、モード２´においてＺ２が逆導通し、電流はＺ１→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２という経路を流れる。このとき、図１８の駆動電圧波形１６２により示されるように、Ｚ２の駆動電圧はゼロ電圧であって、モード２の終わりで駆動電圧波形１１２により示されるように正電圧となる。この結果、第１の実施形態と同様、Ｚ２が逆導通している間のＺ２のソース−ドレイン間の電位差はＺ２に負電圧を印加しているときと比較して小さくなり、逆導通による損失が低減される。
Ｃ２の放電後、モード２´においてＺ２が逆導通し、電流はＺ１→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２という経路を流れる。このとき、図１８の駆動電圧波形１６２により示されるように、Ｚ２の駆動電圧はゼロ電圧であって、モード２の終わりで駆動電圧波形１１２により示されるように正電圧となる。この結果、第１の実施形態と同様、Ｚ２が逆導通している間のＺ２のソース−ドレイン間の電位差はＺ２に負電圧を印加しているときと比較して小さくなり、逆導通による損失が低減される。
《モード３》
モード３では、Ｚ１及びＺ２はオン、Ｚ４はオフとなる。Ｚ３の駆動電圧はゼロ電位に維持される。モード３における電流経路は第１の実施形態と同様で図７に示すものとなる。モード３の終わりに駆動電圧波形１５０により示されるようにＺ１の駆動電圧が負電圧に切替えられ、Ｚ１がオフする。また駆動電圧波形１８２により示されるようにＺ４の駆動電圧が負電圧からゼロ電圧に切替えられる。
モード３では、Ｚ１及びＺ２はオン、Ｚ４はオフとなる。Ｚ３の駆動電圧はゼロ電位に維持される。モード３における電流経路は第１の実施形態と同様で図７に示すものとなる。モード３の終わりに駆動電圧波形１５０により示されるようにＺ１の駆動電圧が負電圧に切替えられ、Ｚ１がオフする。また駆動電圧波形１８２により示されるようにＺ４の駆動電圧が負電圧からゼロ電圧に切替えられる。
《モード４》
モード４の最初は、Ｚ１はオフ、Ｚ２はオンである。Ｚ３及びＺ４の駆動電圧はゼロ電圧である。このときの電流経路は第１の実施形態と同様で図８に示すものとなる。図８を参照して、一次側巻線に流れる電流を維持するため、Ｃ３から放電され、Ｃ１が充電されることによりＺ１のドレイン→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の経路で電流が流れる。Ｃ３を放電後、Ｚ３が逆導通しＺ３に電流が流れる。図１８において駆動電圧波形１７２により示すように、Ｚ３の駆動電圧は既にゼロ電圧となっている。これにより動作モードはモード４´となる。
モード４の最初は、Ｚ１はオフ、Ｚ２はオンである。Ｚ３及びＺ４の駆動電圧はゼロ電圧である。このときの電流経路は第１の実施形態と同様で図８に示すものとなる。図８を参照して、一次側巻線に流れる電流を維持するため、Ｃ３から放電され、Ｃ１が充電されることによりＺ１のドレイン→Ｌ１→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｚ２→入力端子７２の経路で電流が流れる。Ｃ３を放電後、Ｚ３が逆導通しＺ３に電流が流れる。図１８において駆動電圧波形１７２により示すように、Ｚ３の駆動電圧は既にゼロ電圧となっている。これにより動作モードはモード４´となる。
《モード４´》
モード４´では逆導通によりＺ３に電流が流れる。しかしＺ３の駆動電圧がゼロ電圧であり、ソース−ドレイン間電圧の絶対値が小さくなるため、Ｚ３の逆導通による損失を低減できる。このモード４´における電流経路は第１の実施形態と同様、図９に示すものとなる。モード４´の終わりに、図１８において駆動電圧波形１２２により示すようにＺ３の駆動電圧を正電圧に切替える。
モード４´では逆導通によりＺ３に電流が流れる。しかしＺ３の駆動電圧がゼロ電圧であり、ソース−ドレイン間電圧の絶対値が小さくなるため、Ｚ３の逆導通による損失を低減できる。このモード４´における電流経路は第１の実施形態と同様、図９に示すものとなる。モード４´の終わりに、図１８において駆動電圧波形１２２により示すようにＺ３の駆動電圧を正電圧に切替える。
《モード５》
続くモード５の最初には、Ｚ１がオフ、Ｚ２及びＺ３がオンとなる。Ｚ４の駆動電圧はゼロ電圧である。このときの電流経路は第１の実施形態と同様、図１０に示すものとなる。駆動電圧波形１５０及び１５２により示されるように、Ｚ１の駆動電圧はモード５に入って短時間のうちにゼロ電圧に切替えられる。モード５では、図１０に示す電流は速やかに小さくなり、図１１に示すように同じ経路で電流の向きが逆転する。これをモード５´とする。モード５（モード５´）の終わりには、図１８の駆動電圧波形１１４により示すようにＺ２の駆動電圧が負電圧となり、Ｚ２がオフする。この結果、動作モードはノード６となる。
続くモード５の最初には、Ｚ１がオフ、Ｚ２及びＺ３がオンとなる。Ｚ４の駆動電圧はゼロ電圧である。このときの電流経路は第１の実施形態と同様、図１０に示すものとなる。駆動電圧波形１５０及び１５２により示されるように、Ｚ１の駆動電圧はモード５に入って短時間のうちにゼロ電圧に切替えられる。モード５では、図１０に示す電流は速やかに小さくなり、図１１に示すように同じ経路で電流の向きが逆転する。これをモード５´とする。モード５（モード５´）の終わりには、図１８の駆動電圧波形１１４により示すようにＺ２の駆動電圧が負電圧となり、Ｚ２がオフする。この結果、動作モードはノード６となる。
《モード６》
モード６では、図１８の駆動電圧波形１１４及び１２２からわかるように、Ｚ２がオフ、Ｚ３がオンしている。駆動電圧波形１５２及び１８２により示すように、Ｚ１及びＺ４の駆動電圧はゼロ電圧となっている。図１２に示すように変圧器ＴＲの一次側巻線を流れる電流を維持するため、第１の実施形態と同様、電流は入力端子７２→Ｃ２→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３→入力端子７４の経路を通り、Ｃ２を充電し、Ｃ４を放電させる。Ｃ４の放電が完了した時点でＺ４が逆導通する。このとき、図３の駆動電圧波形１８２により示されるように、Ｚ４のゲート電圧は既にゼロ電圧になっている。これにより動作モードは動作モード６´となる。
モード６では、図１８の駆動電圧波形１１４及び１２２からわかるように、Ｚ２がオフ、Ｚ３がオンしている。駆動電圧波形１５２及び１８２により示すように、Ｚ１及びＺ４の駆動電圧はゼロ電圧となっている。図１２に示すように変圧器ＴＲの一次側巻線を流れる電流を維持するため、第１の実施形態と同様、電流は入力端子７２→Ｃ２→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３→入力端子７４の経路を通り、Ｃ２を充電し、Ｃ４を放電させる。Ｃ４の放電が完了した時点でＺ４が逆導通する。このとき、図３の駆動電圧波形１８２により示されるように、Ｚ４のゲート電圧は既にゼロ電圧になっている。これにより動作モードは動作モード６´となる。
《モード６´》
モード６´では、Ｚ２がオフし、Ｚ３がオンし、Ｚ４が逆導通している。図１３に示すように電流はＺ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３の経路を流れる。このモード６´ではＺ４のゲート電圧はゼロ電圧となっている。そのため、Ｚ４の逆導通による損失を低減できる。モード６´（モード６）の最後に、図１８の駆動電圧波形１３４により示されるようにＺ４のゲート電圧が正電圧となり、Ｚ４がオンし、動作モードはモード７となる。
モード６´では、Ｚ２がオフし、Ｚ３がオンし、Ｚ４が逆導通している。図１３に示すように電流はＺ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３の経路を流れる。このモード６´ではＺ４のゲート電圧はゼロ電圧となっている。そのため、Ｚ４の逆導通による損失を低減できる。モード６´（モード６）の最後に、図１８の駆動電圧波形１３４により示されるようにＺ４のゲート電圧が正電圧となり、Ｚ４がオンし、動作モードはモード７となる。
《モード７》
モード７では駆動電圧波形１１４、１２２及び１３４により示されるように、Ｚ２のゲート電圧は負電圧、Ｚ３及びＺ４のゲート電圧は正電圧である。また駆動電圧波形１５２により示されるようにＺ１の駆動電圧はゼロ電圧である。したがってＺ２はオフ、Ｚ３及びＺ４はオンである。
モード７では駆動電圧波形１１４、１２２及び１３４により示されるように、Ｚ２のゲート電圧は負電圧、Ｚ３及びＺ４のゲート電圧は正電圧である。また駆動電圧波形１５２により示されるようにＺ１の駆動電圧はゼロ電圧である。したがってＺ２はオフ、Ｚ３及びＺ４はオンである。
このときの電流経路は、第１の実施形態と同様、図１４に示すものとなる。図１４を参照して、モード７では、電流はＺ４→変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１→Ｚ３の経路を流れる。モード７の終わりにＺ３がオフしモード８となる。同時に、駆動電圧波形１６４により示されるようにＺ２の駆動電圧がゼロ電圧となる。
《モード８》
モード８の最初では、図１８の駆動電圧波形１２４及び１３４により示されるように、Ｚ３のゲート電圧は負電圧、Ｚ４のゲート電圧は正電圧である。したがってＺ３はオフし、Ｚ４のみがオンしている。Ｚ１及びＺ２の駆動電圧はゼロ電圧である。この場合も第１の実施形態と同様、図１５に示すように、電流は入力端子７４、Ｚ４、変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１という経路を流れ、Ｃ３を充電し、Ｃ１を放電する。Ｃ１が放電した後、Ｚ１が逆導通し、モード８´となる。
モード８の最初では、図１８の駆動電圧波形１２４及び１３４により示されるように、Ｚ３のゲート電圧は負電圧、Ｚ４のゲート電圧は正電圧である。したがってＺ３はオフし、Ｚ４のみがオンしている。Ｚ１及びＺ２の駆動電圧はゼロ電圧である。この場合も第１の実施形態と同様、図１５に示すように、電流は入力端子７４、Ｚ４、変圧器ＴＲの一次側巻線→Ｌ１という経路を流れ、Ｃ３を充電し、Ｃ１を放電する。Ｃ１が放電した後、Ｚ１が逆導通し、モード８´となる。
《モード８´》
モード８´では、図１８の駆動電圧波形１５２により示されるように、Ｚ１のゲート電圧は既にゼロ電圧となっている。これによりＺ１の逆導通による損失を低減できる。モード８´（モード８）の終わりには図１８の駆動電圧波形１０４により示されるようにＺ１のゲート電圧が正電圧となりＺ１が導通する。以後、モード１に戻って以上の動作が繰返される。
モード８´では、図１８の駆動電圧波形１５２により示されるように、Ｚ１のゲート電圧は既にゼロ電圧となっている。これによりＺ１の逆導通による損失を低減できる。モード８´（モード８）の終わりには図１８の駆動電圧波形１０４により示されるようにＺ１のゲート電圧が正電圧となりＺ１が導通する。以後、モード１に戻って以上の動作が繰返される。
こうして、この実施形態では、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の駆動電圧が負電圧となった後、比較的短い所定時間の経過後からそれらを導通させるタイミングまでの間、それらの駆動電圧を調整電圧であるゼロ電圧に維持する。この場合でも、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４の逆導通時の損失を軽減できる。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率よく動作させることができる。
なお、第１及び第２の実施の形態のいずれにおいても、調整電圧としてはゼロ電圧が望ましい。しかしこの開示では、逆導通による電力損失を実質的に低減できるようなゼロ電圧近傍の電圧であれば、調整電圧は完全なゼロ電圧でなくともよい。例えば、調整電圧としては０±０．３Ｖ程度の範囲の任意の電圧を採用してもよい。
また、上記実施の形態では、ＧａＮデバイスのゲート電圧を負電圧に切替えて所定時間維持した後、正電圧に切替えるタイミングの直前までゲート電圧を調整電圧に維持し、調整電圧をさらに一定期間維持した後に正電圧に切替えている。しかしこの開示はそのような実施の形態には限定されない。例えばデバイスが逆導通するタイミングでゲート電圧を負電圧からその負電圧より高くゼロ電圧より低い調整電圧に切替える。所定時間経過した後、さらにゲート電圧をゼロ電圧に切替え、その後に正電圧に切替えるようにしてもよい。すなわち、ゲート電圧を負電圧からゼロ電圧に向けて複数段階の階段状に変化させ、その後に正電圧に切替えるようにしてもよい。この場合にも逆導通に伴う損失を軽減できる。
なお、この開示は上記実施の形態のように位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータにのみ適用可能なわけではない。絶縁型で同様にフルブリッジを採用したコンバータ、例えばＬＬＣ共振回路等についても適用可能である。
また、上記実施の形態では、ＧａＮデバイスをスイッチングに利用している。ＧａＮデバイスはオンとなるしきい値が低いため、上記したようにオフさせる期間ではゲート電圧を負電圧にする必要がある。そのため、ＧａＮデバイスが逆導通する際の損失が大きくなる傾向にある。しかしこの開示はＧａＮデバイスのみに対して適用可能なわけではない。ＧａＮデバイスと同様にしきい値電圧が低く、ソースとドレインとが対称なデバイスであって、逆導通する可能性があるものであれば、将来開発される可能性があるデバイスに対しても適用可能である。
さらに、この開示は、このような特徴的な制御回路６４を備える電力変換装置として実現することができるだけでなく、かかる特徴的な処理をステップとする電力変換方法又は半導体スイッチ駆動方法として実現したり、かかるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムとして実現したりすることができる。また、電力変換装置の一部又は全部を実現する半導体集積回路として実現したり、電力変換装置を含む電力変換システムとして実現したりすることができる。
［車両］
上記実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータからなる電力変換装置を搭載した車両の概略構成を図１９に示す。図１９を参照して、この車両２６０は、車輪等の、車両としての基本的構成を備えた車体２７０と、車体２７０に設けられた高圧電源（例えば４８〜３００Ｖ）となる高圧電池２８０と、高圧電池２８０から供給される電力により動作し、車体２７０の駆動力を提供したり、車両２６０の制動時に車両２６０が失う運動エネルギーを電力に変換して高圧電池２８０に供給したりするための発電機／駆動モータ２８２と、高圧電池２８０から供給される高圧の直流電圧により作動する高圧作動ユニット２８４と、低圧（例えば１２Ｖ）の電池２８８と、電池２８８から供給される低圧の電力により動作する補機２９０と、高圧電池２８０から供給される高圧の直流電力を例えば１２Ｖに降圧し、電池２８８および補機２９０等に供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ２８６とを含む。補機２９０は、電池２８８だけからではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８６からも電力供給を受ける。
上記実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータからなる電力変換装置を搭載した車両の概略構成を図１９に示す。図１９を参照して、この車両２６０は、車輪等の、車両としての基本的構成を備えた車体２７０と、車体２７０に設けられた高圧電源（例えば４８〜３００Ｖ）となる高圧電池２８０と、高圧電池２８０から供給される電力により動作し、車体２７０の駆動力を提供したり、車両２６０の制動時に車両２６０が失う運動エネルギーを電力に変換して高圧電池２８０に供給したりするための発電機／駆動モータ２８２と、高圧電池２８０から供給される高圧の直流電圧により作動する高圧作動ユニット２８４と、低圧（例えば１２Ｖ）の電池２８８と、電池２８８から供給される低圧の電力により動作する補機２９０と、高圧電池２８０から供給される高圧の直流電力を例えば１２Ｖに降圧し、電池２８８および補機２９０等に供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ２８６とを含む。補機２９０は、電池２８８だけからではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８６からも電力供給を受ける。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８６として、上記実施の形態の説明において記載した位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０を用いる。そのため、この車両では電力変換の際の電力の損失が小さく、高圧電池２８０に蓄積される電力を有効に利用して補機を動作させられる。位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ５０に代えて、上記第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えるべきである。この開示の範囲は、開示の詳細な説明の記載により示されるわけではなく、請求の範囲の各請求項によって示され、請求の範囲の文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
Ｃ０、Ｃ５ コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 寄生容量
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ ダイオード
Ｌ１、Ｌ２ 漏れインダクタンス
ＴＲ 変圧器
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４ ＧａＮ−ＨＥＭＴ
５０ 位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ
６０ 一次側部分
６２ 二次側部分
６４ 制御回路
６６、７０ 電圧センサ
６８ 電流センサ
７２、７４ 入力端子
７６、７８ 出力端子
８０、８２、８４、８６ ３電圧出力回路
１００、１０２、１０４、１１０、１１２、１１４、１２０、１２２、１２４、１３０、１３２、１３４、１５０、１５２、１６０、１６２、１６４、１７０、１７２、１８０、１８２ 駆動電圧波形
２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２ ステップ
２６０ 車両
２７０ 車体
２８０ 高圧電池
２８２ 発電機／駆動モータ
２８４ 高圧作動ユニット
２８６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８８ 電池
２９０ 補機
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 寄生容量
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ ダイオード
Ｌ１、Ｌ２ 漏れインダクタンス
ＴＲ 変圧器
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４ ＧａＮ−ＨＥＭＴ
５０ 位相シフトフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ
６０ 一次側部分
６２ 二次側部分
６４ 制御回路
６６、７０ 電圧センサ
６８ 電流センサ
７２、７４ 入力端子
７６、７８ 出力端子
８０、８２、８４、８６ ３電圧出力回路
１００、１０２、１０４、１１０、１１２、１１４、１２０、１２２、１２４、１３０、１３２、１３４、１５０、１５２、１６０、１６２、１６４、１７０、１７２、１８０、１８２ 駆動電圧波形
２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２ ステップ
２６０ 車両
２７０ 車体
２８０ 高圧電池
２８２ 発電機／駆動モータ
２８４ 高圧作動ユニット
２８６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８８ 電池
２９０ 補機
Claims (11)
- オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチを駆動する駆動装置であって、
前記半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、前記半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える第１の駆動電圧切替回路と、
前記第１の駆動電圧切替回路による前記半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、前記半導体スイッチをオフからオンに駆動する前記タイミングで前記半導体スイッチの駆動電圧を前記オン電圧に切替える第２の駆動電圧切替回路とを含む、半導体スイッチの駆動装置。 - 前記オフ電圧は負の電圧、及び前記オン電圧は正の電圧であり、前記第１の調整電圧は前記オフ電圧より高く、前記しきい値電圧以下である、請求項１に記載の半導体スイッチの駆動装置。
- 前記第１の調整電圧はゼロ電圧である、請求項１又は請求項２に記載の半導体スイッチの駆動装置。
- 前記半導体スイッチは、位相シフトフルブリッジ回路を構成する半導体スイッチである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体スイッチの駆動装置。
- 前記位相シフトフルブリッジ回路は４個の前記半導体スイッチを含み、
前記半導体スイッチの駆動装置は、前記４個の前記半導体スイッチの各々を駆動する、請求項４に記載の半導体スイッチの駆動装置。 - 前記所定時刻後で前記タイミングの前に、前記半導体スイッチの駆動電圧を前記第１の調整電圧より高く、前記オン電圧より低い第２の調整電圧に切替える第３の駆動電圧切替回路をさらに含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体スイッチの駆動装置。
- 前記半導体スイッチは窒化ガリウムスイッチである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体スイッチの駆動装置。
- オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチを駆動する駆動装置であって、
前記半導体スイッチをオフにしてから所定時間経過した後、次に当該半導体スイッチをオンに駆動するタイミングまで、前記半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替える第１の駆動電圧切替回路と、
前記第１の駆動電圧切替回路による前記半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、前記半導体スイッチをオンに駆動する前記タイミングで前記半導体スイッチの駆動電圧を前記オン電圧に切替える第２の駆動電圧切替回路とを含む、半導体スイッチの駆動装置。 - 複数の半導体スイッチのスイッチングにより、入力された電力を変換した電力を出力する電力変換装置であって、
前記変換を実現するよう接続された複数の半導体スイッチ素子、インダクタンス素子、変圧器及び容量素子からなる電力変換回路と、
前記電力変換回路の前記複数の半導体スイッチの少なくとも１つを駆動する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体スイッチの駆動装置とを含む、電力変換装置。 - オフとオンとを切替えるしきい値電圧がシリコンデバイスのしきい値電圧より低く、ボディダイオードを持たない半導体スイッチの駆動方法であって、
前記半導体スイッチをオフからオンに駆動するタイミングの直前の所定時刻に、前記半導体スイッチの駆動電圧をオフ電圧とオン電圧との間の第１の調整電圧に切替えるステップと、
前記第１の調整電圧への前記半導体スイッチの駆動電圧の切替え後、前記半導体スイッチをオフからオンに駆動する前記タイミングで前記半導体スイッチの駆動電圧を前記オン電圧に切替えるステップとを含む、半導体スイッチの駆動方法。 - 車体と、
前記車体に設けられ、第１の電圧で電力を蓄積し、出力する電池と、
前記車体に設けられ、前記第１の電圧より低い第２の電圧で動作する低電圧動作部と、
前記車体に、前記電池の出力を入力として受け、前記第２の電圧に変換して前記低電圧動作部に供給するように設けられた、請求項９に記載の電力変換装置とを含む、車両。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018212158 | 2018-11-12 | ||
| JP2018212158 | 2018-11-12 | ||
| PCT/JP2019/028974 WO2020100349A1 (ja) | 2018-11-12 | 2019-07-24 | 半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2020100349A1 true JPWO2020100349A1 (ja) | 2021-09-02 |
| JP6966008B2 JP6966008B2 (ja) | 2021-11-10 |
Family
ID=70731086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020556594A Active JP6966008B2 (ja) | 2018-11-12 | 2019-07-24 | 半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11799372B2 (ja) |
| JP (1) | JP6966008B2 (ja) |
| CN (1) | CN112997391A (ja) |
| DE (1) | DE112019005634T5 (ja) |
| WO (1) | WO2020100349A1 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3124904A1 (fr) * | 2021-07-02 | 2023-01-06 | Safran Electrical & Power | Convertisseur de puissance du type DC-DC et procédé d’utilisation d’un tel convertisseur |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015012624A (ja) * | 2013-06-26 | 2015-01-19 | 株式会社デンソー | 駆動回路 |
| JP2016012861A (ja) * | 2014-06-30 | 2016-01-21 | 株式会社デンソー | 半導体スイッチング素子の制御回路 |
| JP2016092884A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 株式会社デンソー | 半導体素子の駆動回路及び半導体素子の駆動システム |
| JP2017221103A (ja) * | 2016-06-06 | 2017-12-14 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Ｄｃ／ｄｃコンバータのシステムおよび方法 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6178099B1 (en) * | 2000-04-07 | 2001-01-23 | General Electric Company | Optimal phase-shifted control for a series resonant converter |
| JP2002064975A (ja) * | 2000-08-17 | 2002-02-28 | Taiyo Yuden Co Ltd | Ｄｃ／ｄｃコンバータの駆動制御方法及びｄｃ／ｄｃコンバータ |
| DE102008049677B4 (de) * | 2008-09-30 | 2014-09-18 | Infineon Technologies Ag | Spannungsversorgung in einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement |
| US8810287B2 (en) * | 2011-01-14 | 2014-08-19 | Panasonic Corporation | Driver for semiconductor switch element |
| JP2014193022A (ja) * | 2013-03-27 | 2014-10-06 | Mitsubishi Electric Corp | スイッチング回路および電力変換装置 |
| JPWO2015029374A1 (ja) * | 2013-08-26 | 2017-03-02 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 制御回路、スイッチング回路、電力変換装置、充電装置、車両、および、制御方法 |
| JP6303663B2 (ja) * | 2014-03-17 | 2018-04-04 | 株式会社Ihi | 電圧駆動型電力用半導体素子の駆動回路 |
| KR101628133B1 (ko) * | 2014-07-04 | 2016-06-08 | 현대자동차 주식회사 | 펄스폭 변조 공진 컨버터 및 이를 이용한 차량용 충전기 |
| US9774263B1 (en) * | 2016-08-05 | 2017-09-26 | Schneider Electric It Corporation | Power converter with extended hold-up time |
| US10193544B2 (en) * | 2017-04-21 | 2019-01-29 | Ford Global Technologies, Llc | Minimizing ringing in wide band gap semiconductor devices |
-
2019
- 2019-07-24 US US17/286,694 patent/US11799372B2/en active Active
- 2019-07-24 CN CN201980074029.5A patent/CN112997391A/zh active Pending
- 2019-07-24 JP JP2020556594A patent/JP6966008B2/ja active Active
- 2019-07-24 WO PCT/JP2019/028974 patent/WO2020100349A1/ja active Application Filing
- 2019-07-24 DE DE112019005634.4T patent/DE112019005634T5/de active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015012624A (ja) * | 2013-06-26 | 2015-01-19 | 株式会社デンソー | 駆動回路 |
| JP2016012861A (ja) * | 2014-06-30 | 2016-01-21 | 株式会社デンソー | 半導体スイッチング素子の制御回路 |
| JP2016092884A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 株式会社デンソー | 半導体素子の駆動回路及び半導体素子の駆動システム |
| JP2017221103A (ja) * | 2016-06-06 | 2017-12-14 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Ｄｃ／ｄｃコンバータのシステムおよび方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6966008B2 (ja) | 2021-11-10 |
| US11799372B2 (en) | 2023-10-24 |
| CN112997391A (zh) | 2021-06-18 |
| WO2020100349A1 (ja) | 2020-05-22 |
| US20210344268A1 (en) | 2021-11-04 |
| DE112019005634T5 (de) | 2021-07-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7911810B2 (en) | Bi-directional DC-DC converter and method for controlling the same | |
| JP6369808B2 (ja) | 駆動装置、電力変換装置 | |
| US9487098B2 (en) | Power conversion apparatus | |
| US7405953B2 (en) | Driving circuit for power switching device | |
| US20100220500A1 (en) | Power converter and method for controlling power converter | |
| US8605460B2 (en) | Method for starting up DC-DC converter | |
| CN103503292A (zh) | 电力变换装置以及具备该电力变换装置的车载电源装置 | |
| US9979271B2 (en) | Power converter with zero-voltage switching control | |
| US20070115697A1 (en) | Method of controlling DC-to-DC converter whereby switching control sequence applied to switching elements suppresses voltage surges at timings of switch-off of switching elements | |
| CN101483391A (zh) | 用于电压变换器的自给电路和方法 | |
| KR20130020527A (ko) | 게이트 구동 회로 및 전력 변환 장치 | |
| KR20100115087A (ko) | 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 그의 제어방법 | |
| US10090752B2 (en) | Power conversion device | |
| US9496790B2 (en) | Power conversion device | |
| US20190341854A1 (en) | Switching power supply device | |
| JP6966008B2 (ja) | 半導体スイッチの駆動装置、駆動方法、電力変換装置、及び車両 | |
| JP6717216B2 (ja) | 駆動装置 | |
| JP7099199B2 (ja) | 駆動対象スイッチの駆動回路 | |
| JP2020171093A (ja) | 車載用電圧変換装置 | |
| JP6996661B1 (ja) | 電力変換装置、それを含む車両及び制御方法 | |
| JP7276064B2 (ja) | Ｄｃｄｃコンバータ | |
| JP2019009848A (ja) | Ｄｃ−ｄｃコンバータ、これを用いた電源システム及び当該電源システムを用いた自動車 | |
| JP2017034916A (ja) | 電力変換装置 | |
| Rehlaender et al. | Interleaved Active Clamp Forward Converters as Single Stage On-Board DC-DC Converters for EVs-an Accurate Model and Design Considerations | |
| CN113273071B (zh) | 直流电压变换电路以及开关电源装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201209 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210921 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20211004 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6966008 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |